Gekoppelte mikromechanische Modellierung für die Analyse und Prävention von Erosionsvorgänge bei hydraulischen und offshore Bauwerken

• Antragsteller: Dr.-Ing. Pablo Cuéllar
• Subject Area: Geotechnik, Wasserbau
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 406907912

Dieses Projekt befasst sich mit der Erosion von Geomaterialien im Zusammenhang mit dem Versagen von Ingenieurbauwerken mit hoher sozioökonomischer Relevanz wie Schutzdeiche und Offshore-Windenergieanlagen. Die zugrundeliegenden Mechanismen, durch die solche Systeme bis zur mechanischen Instabilität der gesamten Struktur beansprucht werden, sollen erklärt werden.Dafür wollen wir die Lücke zwischen den mikromechanischen Phänomenen (auf der Ebene der Bodenkörner) und der makromechanischen Anwendung für technische Probleme schließen, indem wir effiziente gekoppelte Simulationsmodelle im großen Maßstab entwickeln, die die Wechselwirkungen zwischen einer fluiden Phase und dem gebundenen Korngerüst direkt reproduzieren. Zu diesem Zweck werden wir relevante Simulationstechniken für die flüssige und feste Phasen koppeln (Lattice Boltzmann-Methode bzw. Discrete-Element-Methode).Wir werden repräsentative Modellen in verschiedenen Maßstäben progressiv entwickeln, zunächst auf der Meso-Ebene, um lokale Phänomene aus unserer Labortests zu reproduzieren, und schließlich bis zum realen Maßstab der technischen Probleme. Dabei werden relevante Modelle für Kohäsion und Materialschädigung verwendet. Eine wichtige Aufgabe in der Entwicklungsphase wird die Anpassung unserer Algorithmen zur parallelen Berechnung mittels grafischer Prozessoren (GPUs) sein.Die Modellierung und Analyse der Erosion bei einem Schutzdeich (Flussdamm) wird das erste Anwendungsgebiet der Modelle. In diesem Zusammenhang werden wir detaillierte mikromechanische Modelle typischer Erosionsbewertungsszenarien entwickeln und die Beziehung der resultierenden Parameter von den Korneigenschaften (Mikroebene) und von der geotechnischen Charakterisierung des Bodens (Makroebene) analysieren. Die validierten Szenarien sollen dann hochskaliert werden, um die reale Phänomene eines praktischen Erosionserosionsproblems lokal zu simulieren.Parallel dazu betrifft das zweite Anwendungsgebiet die Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen. Eine detaillierte Bewertung verschiedener Kolkszenarien soll die Grundlage für eine optimierte Bemessung der offshore Gründungen liefern und dazu beitragen, die Kosten von künftigen Windparks zu reduzieren. Darüber hinaus sind vielversprechende innovative Gründungssysteme im Offshore-Bereich, wie die Suction-Buckets, noch nicht gut etabliert aufgrund weithin ungelöster Fragen bezüglich ihrer doppelten Wechselwirkung mit dem marinen Boden und dem Porenwasser. Die Stabilität des Saugmechanismus sowie die Möglichkeit eines lokalisierten hydraulischen Versagens (Piping) der Suction-Buckets während der Installation sind wesentlichen Fragen, die hier angesprochen werden. Die Entwicklung der vorgesehenen Modelle, die sich mit solchen Phänomenen aus einer mikromechanischen Perspektive befassen, soll Antworten liefern, die bisher in der Offshore-Praxis fehlten.

• DFG Programme: Sachbeihilfen
• International Connection: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Philippe Schwemling